НИКЕЛЬ-ЦИНКОВЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1998 года по МПК H01M10/30 H01M10/24 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве никель-цинковых аккумуляторов.

Известен никель-цинковый аккумулятор, содержащий бак с электролитом и расположенные в нем положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором [1].

Недостатком вышеуказанного аккумулятора является его низкий ресурс, связанный с образованием дендритов цинка из-за систематического перезаряда отрицательного электрода.

Из известных никель-цинковых аккумуляторов наиболее близким по совокупности существенных признаков является аккумулятор, в котором для повышения ресурса емкость отрицательных электродов существенно превышает емкость положительных. Указанный аккумулятор содержит бак с электролитом и размещенные в нем положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором. Теоретическая емкость цинковых электродов в 2-4 раза превышает расчетную емкость никелевого электрода [2]. Избыточная емкость отрицательного электрода предназначена для предотвращения его перезаряда при циклировании.

Недостатком этого аккумулятора являются низкие удельные характеристики из-за избыточного количества активной массы на отрицательных электродах, которая не участвует в токообразующей реакции и является, по сути, балластом.

Задачей изобретения является создание никель-цинкового аккумулятора, обладающего повышенным ресурсом и высокими удельными электрическими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что в никель-цинковом аккумуляторе, содержащем бак с электролитом и размещенные в нем положительные и отрицательные электроды, разделенные сепаратором, обычно многослойным, отрицательные электроды имеют номинальную емкость, составляющую 0,9-1,2 от номинальной емкости положительных электродов.

Целесообразно соотношение массовых количеств активных веществ отрицательных и положительных электродов выполнить равным 0,5-0,8. Указанное соотношение активных масс выбранного состава обеспечивает требуемое соотношение емкостей электродов.

Целесообразно в активную массу отрицательного электрода ввести при изготовлении 10-25 мас.% металлического цинка и до 5 мас.% свинца.

Целесообразно между положительными и отрицательными электродами разместить пористую мембрану из металлической фольги. Наличие фольги между электродами препятствует росту цинковых дендритов и предотвращает закорачивание электродов, приводящее к отказу аккумулятора.

Целесообразно, чтобы верхняя кромка мембраны выступала за пределы электродов. Это позволяет сорбировать газ в подкрышечном пространстве аккумулятора.

Выбранное соотношение номинальных емкостей электродов является оптимальным. При соотношении номинальных емкостей менее 0,9 емкость отрицательных электродов будет недостаточной для полного заряда положительных электродов. Отрицательный электрод зарядится первым и при дальнейшем заряде на нем будет выделяться водород, что усложняет эксплуатацию аккумулятора. При соотношении номинальных емкостей более 1,2 емкость отрицательного электрода избыточна, что приводит к снижению удельных электрических характеристик за счет избыточного содержания активной массы на отрицательном электроде, которая не участвует в токообразующей реакции.

Соотношение количеств активных масс на электродах (0,5-0,8) соответствует оптимальному соотношению емкостей электродов при использовании на отрицательном электроде активной массы из оксида цинка и 10-25 мас.% порошка металлического цинка.

Содержание металлического цинка при изготовлении 10-25 мас.% является оптимальным. Нижний предел содержания цинка определяется требуемой механической прочностью электрода и его электропроводностью. При содержании порошка цинка менее 10 мас.% электрод плохо прессуется, что снижает его механическую прочность. Кроме того, металлический цинк выполняет в электроде функцию токопроводящей добавки, обеспечивающей требуемую электропроводность. Содержание металлического цинка более 25 мас.% не оправдано, поскольку при любом исходном содержании металлического цинка в электроде после разряда всегда остается около 25 мас.% металлического цинка. Это связано с коэффициентом использования активной массы, составляющим для отрицательного электрода ≈75%.

Введение в активную массу в процессе ее приготовления оксида свинца в количестве до 5% от массы цинкового электрода стабилизирует его разрядную емкость и повышает эффективность использования активной массы на 20%. Введение в состав активной массы более 5 мас.% оксида свинца нецелесообразно, поскольку дальнейшего улучшения характеристик не наблюдается, а доля неактивной компоненты растет, что снижает удельные характеристики.

Введение пористой мембраны из металлической, например никелевой, фольги между электродами защищает электроды от закорачивания цинковыми дендритами. Цинковый дендрит не может проколоть фольгу, обладающую достаточной механической прочностью. Кроме того, дендрит, доросший до фольги, будет электрохимически растворяться, так как цинк и никель образуют гальваническую пару.

Наличие выступающих за пределы электродов верхний кромок мембран позволяет сорбировать не только растворенные в электролите газы, но и газ, выделяющийся в газовое покрышечное пространство. Выступающие кромки могут быть активированы соответствующим катализатором, что позволяет создать никель-цинковый аккумулятор в герметичном исполнении.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом и примером практической реализации.

На ччччертеже схематически изображен поперечный разрез никель-цинкового аккумулятора.

Заявляемый аккумулятор содержит положительный электрод 1 из гидроксида никеля, сепаратор 2 положительного электрода, пористую металлическую, например никелевую мембрану 3 с верхней кромкой 7, сепаратор 4 отрицательного электрода, отрицательный цинковый электрод 5, корпус 6, крышку 8 и борны 9. Верхние кромки 7 пористых металлических мембран выступают за пределы блока электродов 1, 5. Сепараторы 2, 4 пропитаны щелочным электролитом.

Аккумулятор работает следующим образом.

При разряде на положительном электроде происходит окисление гидроксида никеля, а на отрицательном - восстановление оксида цинка до металла. Суммарная токообразующая реакция имеет вид:

В процессе циклирования на цинковом аноде образуются дендриты из осажденного при заряде цинка, которые могут проколоть сепаратор и вызвать внутреннее короткое замыкание электродов. Для предотвращения этого между сепараторам положительного и отрицательного электродов размещены пористые металлические мембраны. Кромки мембран выступают за пределы кромок электродов и уровня электролита.

Мембрана механически и электрохимически при соответствующем выборе металла мембраны защищает электроды от внутреннего замыкания растущими дендритами. Обладая высокой пористостью и развитой поверхностью, мембрана способна сорбировать выделяющиеся при работе аккумулятора газы. Она сорбирует как растворенные в электролите газы, так и газы, поступающие в газовое пространство под крышкой. Для осуществления последнего процесса кромки мембран выступают за пределы электродного блока и находятся в газовом подкрышечном объеме.

Пример практической реализации.

Изготовлены и проведены испытания макетов никель-цинкового аккумулятора с различным содержанием цинка в отрицательном электроде. Аккумулятор содержал два цинковых электрода с размерами 40х84х1,2 мм и три окисно-никелевых электрода с размерами 40х84х0,55 мм. Емкость макетного аккумулятора составляла ≈4 А•ч. При изготовлении использовались цинковые электроды с содержанием цинка 10 и 25% от массы электрода. Использовался также цинковый электрод с добавкой 5 мас.% оксида свинца. Было изготовлено 3 аккумулятора с соотношением активных масс отрицательных и положительных электродов 0,5; 0,8 и 1,14, при этом соотношение номинальных емкостей электродов составляло соответственно 0,89; 1,18 и 1,45. Аккумуляторы разряжались током 1 А до напряжения 1,0 В. Заряд аккумулятора проводился током 0,2 А. Было проведено 10 циклов заряд/разряд. В процессе испытаний установлено, что содержание металлического цинка в отрицательном электроде не влияет на разрядные характеристики аккумулятора. Аккумулятор с цинковыми электродами, содержащими добавку 5 мас.% оксида свинца имел более стабильные разрядные характеристики и повышенную эффективность использования активной массы цинкового электрода. Без добавки оксида свинца эффективность составляла 52%, с добавкой 5 мас.% оксида свинца - 76%. Введение добавки в количестве более 5 мас.% не дает дальнейшего улучшения характеристик.

В один из макетов аккумулятора между слоями сепаратора устанавливалась никелевая фольга толщиной 40 мкм, пористостью 60% и размером пор 20 мкм. Испытания аккумулятора дали положительные результаты. Снижения характеристик в процессе циклирования не наблюдалось. Введение фольги в аккумулятор практически не сказывается на его внутреннем сопротивлении.

Проведенные испытания показали, что заявленный аккумулятор обладает стабильными разрядными характеристиками и повышенными удельными характеристиками за счет уменьшения массы цинкового электрода.

Использование: при производстве никель-цинковых аккумуляторов. Сущность изобретения заключается в том, что номинальная емкость отрицательных электродов составляет 0,9-1,2 от номинальной емкости положительных электродов, которые расположены в баке с электролитом и разделены сепаратором. Активная масса отрицательного электрода при изготовлении может содержать 10-25 мас.% металлического цинка и до 5 мас.% оксида свинца. Между положительными и отрицательными электродами дополнительно может быть размещена пористая мембрана из металлической фольги. Верхняя кромка мембраны выступает за пределы электродов и может быть активирована катализатором. Аккумулятор обладает повышенным ресурсом и высокими удельными электрическими характеристиками. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Никель-цинковый аккумулятор, содержащий бак с электролитом и размещенные в нем положительные и отрицательные электроды с различными значениями номинальных емкостей, разделенные сепаратором, отличающийся тем, что значения номинальной емкости отрицательных электродов составляет 0,9 1,2 значения номинальной емкости положительных электродов. 2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что соотношение массовых количеств активных веществ отрицательных и положительных электродов составляет 0,5 0,8. 3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что активная масса отрицательного электрода при изготовлении включает 10 25 мас. металлического цинка и до 5 мас. оксида свинца. 4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что между положительными и отрицательными электродами дополнительно размещена мембрана из металлической пористой фольги. 5. Аккумулятор по п.4, отличающийся тем, что верхняя кромка мембраны выступает за пределы электродов. 6. Аккумулятор по п.5, отличающийся тем, что верхняя кромка мембраны активирована катализатором.